Revista Facultad de Ingeniería Universidad de Antioquia (Jan 2015)
Relevance of the hyperelastic behavior of cruciate ligaments in the modeling of the human knee joint in sagittal plane
Abstract
La ruptura del ligamento cruzado anterior (LCA) es la lesión más comúnde la rodilla humana. Cuando se requiere cirugía, es de mucha ayuda para los cirujanosdefi nir científi camente el mejor punto de inserción del injerto, para que pueda tener unafuncionalidad similar a la de un LCA intacto. Para esto, es crucial la estimación de la fuerzaque actúa en el ligamento (o injerto) en respuesta a una carga externa aplicada sobre larodilla. Esta fuerza es llamada fuerza in-situ. El objetivo de esta investigación es evidenciarla relevancia del comportamiento hiperelástico de los ligamentos cruzados en el modelajebidimensional de la rodilla. Para ello, se propone una metodología secuencial de modelajebasándose en teoría de mecanismos y el método de Davies. En una primera aproximación,los ligamentos cruzados son considerados como cuerpos rígidos; en una segundaaproximación, como cuerpos con comportamiento hiperelástico. Esas dos aproximacionesson comparadas. El modelo proporciona informaciones que permiten asistir el planeamiento pre-operatorio, mediante la simulación de las posiciones y la fuerzas in-situ del LCA. Lametodología propuesta consiste en cuatro pasos y considera un procedimiento experimentalrealizado mediante un manipulador robótico que obtiene las fuerzas in-situ. Las fuerzasin-situ experimentales son usadas para validar el modelo propuesto. Además de apoyaral planeamiento pre-operatorio, el modelo permite verificar dos hipótesis biomecánicasrelevantes: 1. Para la simulación de la fuerza in-situ del LCA, el modelaje de los ligamentoscruzados como barras rígidas, presenta resultados semejantes a los del modelaje queconsidera el comportamiento hiperelástico (más elaborado). 2. Las fuerzas in-situ delLCA pueden ser aproximadas satisfactoriamente, cuando la rodilla es modelada como unmecanismo bidimensional de 4-barras. Con base en los resultados puede concluirse que lasfuerzas obtenidas por simulaciones que consideran el comportamiento hiperelástico de losligamentos cruzados, son muy próximas a aquellas fuerzas obtenidas en simulaciones queconsideran los ligamentos cruzados como cuerpos rígidos. También se puede observar quelos resultados simulados son bastante similares a los resultados experimentales, lo que esrelevante considerando que el modelaje propuesto es simplificado.
